增材制造个性化骨增量钛网的工程实现【Simpleware应用】

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简介

引导骨组织再生(guided bone regeneration,GBR)是一种口腔种植骨增量技术,在骨缺损区利用屏障膜维持空间并阻挡增殖较快的上皮细胞和成纤维细胞长入,保证增殖速度较慢的成骨细胞优势增长而形成骨。随着增材制造(常被称为“3D打印”)技术的发展,可利用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)设计出与患者颌骨形态贴合并且具有预期骨增量水平的个性化钛网模型,在激光的作用下通过材料逐层累积将其“打印”出来,最终将这种个性化骨增量钛网用于引导骨组织再生手术。与传统钛网相比,增材制造的个性化骨增量钛网更加贴合骨缺损部位,极大缩短手术时长并降低钛网暴露率,尤其适用于大面积、解剖形态复杂的骨缺损病例。

个性化骨增量钛网工艺研发

对于增材制造个性化骨增量钛网产品,研发工程师与口腔种植科的临床医生和影像科医生组建钛网项目团队,经由主治医生获得患者的影像数据(CBCT产生的“.DICOM”数据)及其对患者预期骨增量的要求,同时主治医生还会提供患者的口内扫描数据、修复体和种植体规划数据等作为钛网设计的参考模型。研发工程师将“.DICOM”数据导入到Simpleware Scan IP软件中进行解剖结构的三维模型重建,包括患者骨缺损处的颌骨、邻牙及牙根、神经管(下颌病例)并将其导出为“.STL”格式的三维模型。使用光敏树脂材料将带邻牙的颌骨模型增材制造出来,用于个性化骨增量钛网的试配。以口腔修复为导向,根据主治医生预期骨增量要求,以及钛网与邻牙、神经等解剖结构的位置关系,同时考虑固定钛网用的钛钉尺寸和位置,设计出钛网的轮廓面。在Solidworks 软件中将钛网网孔的单胞结构填充于钛网轮廓面上并增加钛网的厚度为0.3~0.4 mm,导出“.STL”格式的钛网模型。下图显示了个性化骨增量钛网的设计模型及其与颌骨、钛钉和骨粉配合在一起的示意图。个性化设计出来的钛网模型可以进行有限元分析和静力学计算,以评估钛网植入后的生物力学性能。

图:个性化骨增量钛网的增材制造
图:个性化骨增量钛网设计模型,包括有严重骨缺损的下颌骨、个性化骨增量钛网、钛网固定钛钉和人工骨粉

在完成钛网的CAD设计和CAE仿真后,将钛网模型(“.STL”格式)进行增材制造工艺支撑和打印布局的设计,钛网及其工艺支撑按照25μm厚度进行切片,切片后的数据导入至增材制造设备MLab中,使用医用纯钛材料进行增材制造,所得产品在热处理后进行线切割和去支撑,经过打磨后进行喷砂处理,最后进行超声清洗以及灭菌杀毒,使用无菌包装将其封闭。主治医生在种植手术时将个性化骨增量钛网拆除包装直接植入患者口腔,在手术完成后拍摄即刻CBCT。

骨缺损颌骨三维重建和个性化骨增量钛网设计

根据每位患者的CBCT数据三维重建生成骨缺损颌骨模型,使用光敏树脂材料增材制造出用于个性化骨增量钛网试配和术前评估;依据临床要求对骨缺损颌骨进行“数字雕刻”,即通过模拟现实中蜡型雕刻方式制作数字化的模型,设计出满足预期骨增量要求的“完美”颌骨,在此基础上完成个性化骨增量钛网的模型设计。相较于传统钛网,采用“全程数字化”技术设计和制造的个性化骨增量钛网更贴合患者牙槽骨形态,避免了术中需要折弯剪裁的复杂步骤,节省大量手术时间;个性化骨增量钛网适合多种复杂骨缺损病症,为引导骨再生手术提供稳定的成骨空间,实现了种植术后功能重建和美学的可预期性。

图:由患者CBCT数据重建而成的骨缺损颌骨和个性化骨增量钛网模型

为了提高设计效率同时有效减小“金属伪影”对模型尺寸精度的影响,工程师开发出基于神经网络的深度学习算法,对目前已处理的200多例患者CBCT数据进行精准标注和训练,产生预训练模型用于解剖结构的分割、检测和分类任务,最终实现自动生成骨缺损颌骨和邻牙的精准三维模型。

结论

根据患者的解剖结构和预期的骨增量水平定制式设计出个性化骨增量钛网,通过有限元分析对钛网的设计模型进行验证,通过增材制造的工艺将其生产出来,同时在生产过程中增加“随炉试样”用以验证钛网成品的理化性能。增材制造的个性化骨增量钛网可以获得满足临床应用要求的性能,其临床上的长期有效性有待钛网植入后进一步的随访观察。

参考

张立强:增材制造个性化骨增量钛网的工程实现。中国口腔种植学杂志 2021 年 12 月第 26 卷第 6 期,第354~361页。